Pełna treść artykułu - Instytut Technologiczno

WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE
WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS
pdf: www.itep.edu.pl/wydawnictwo
Wpłynęło
28.10.2011 r.
Zrecenzowano
17.01.2012 r.
Zaakceptowano 17.02.2012 r.
A – koncepcja
B – zestawienie danych
C – analizy statystyczne
D – interpretacja wyników
E – przygotowanie maszynopisu
F – przegląd literatury
2012 (IV–VI): t. 12 z. 2 (38)
ISSN 1642-8145 s. 185–196
© Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, 2012
TYP POWIERZCHNI MIEJSKIEJ
A TURBULENCYJNA WYMIANA
DWUTLENKU WĘGLA
(NA PRZYKŁADZIE ŁODZI)
Włodzimierz PAWLAK ABCDEF, Mariusz SIEDLECKI BCD
Uniwersytet Łódzki, Katedra Meteorologii i Klimatologii
Streszczenie
Celem opracowania jest porównanie intensywności turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla na
terenie miejskim o różnym typie zabudowy. Pomiary przeprowadzono w gęsto zabudowanym centrum miasta, w dzielnicy domów jednorodzinnych, na terenie poprzemysłowym oraz podmiejskim.
Uzyskane wyniki potwierdzają wyraźną zależność między gęstością i typem zabudowy oraz odsetkiem powierzchni roślinnych a intensywnością i zwrotem wymiany. Najbardziej intensywną dodatnią
(do atmosfery) wymianę dwutlenku węgla zaobserwowano w centrum Łodzi oraz, nieco mniejszą, na
obszarze poprzemysłowym, podczas gdy w dzielnicy niskiej zabudowy, jedno- i dwupiętrowej,
z dużym udziałem terenów zielonych, antropogeniczna emisja CO2 była w znacznej mierze równoważona przez naturalny pobór tego gazu przez rośliny. Na terenie podmiejskim z kolei wymiana miała charakter zdecydowanie ujemny (do powierzchni czynnej), ze względu na bardzo mały udział antropogenicznej emisji dwutlenku węgla.
Słowa kluczowe: metoda kowariancji wirów, teren zurbanizowany, turbulencyjny strumień dwutlenku
węgla
WSTĘP
Na podstawie prowadzonych od wielu lat badań stwierdzono, że w przypowierzchniowej warstwie powietrza nad miastami poziom stężenia dwutlenku węgla
jest podwyższony [COUTTS i in. 2007; GRIMMOND i in. 2002; HELFER i in. 2010;
VESALA i in. 2008]. Miasta, ze względu na gęstość zabudowy, sieci transportowe,
zmniejszony udział terenów zielonych oraz ogromne zużycie energii, znacząco
modyfikują obieg węgla w środowisku w porównaniu z terenami niezurbanizowaAdres do korespondencji: dr W. Pawlak, Uniwersytet Łódzki, Katedra Meteorologii i Klimatologii,
ul. Narutowicza 88, 90-139 Łódź; tel. +48 42 665-59-52, e-mail: [email protected]
186
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
nymi [CRAWFORD i in. 2011; KORDOWSKI, KUTTLER 2010; MATESE i in. 2009;
MORIWAKI, KANDA 2004; NEMITZ i in. 2002; OFFERLE 2003; PAWLAK i in. 2011;
VELASCO i in. 2005; VELASCO, ROTH 2010; VOGT i in. 2006]. Dobowy rytm obserwowany na terenach naturalnych lub rolniczych, zdominowany przez nocne
uwalnianie dwutlenku węgla przez rośliny i dzienne pochłanianie podczas fotosyntezy, na terenie miejskim jest zaburzony przez intensywną antropogeniczną emisję
CO2, towarzyszącą spalaniu paliw kopalnych podczas ogrzewania mieszkań oraz
w ruchu samochodowym. Emisja ta jest w pewnym stopniu równoważona podczas
poboru dwutlenku węgla w trakcie procesów biologicznych, w których bierze
udział roślinność miejska. Ze względu jednak na to, że udział terenów zielonych na
obszarach miejskich jest często bardzo mały, proces ten nie jest w stanie całkowicie zrównoważyć emisji o charakterze antropogenicznym [COUTTS i in. 2007;
CRAWFORD i in. 2011; KORDOWSKI, KUTTLER 2010; PAWLAK i in. 2011; VELASCO, ROTH 2010]. Ciągłe pomiary wymiany dwutlenku węgla między powierzchnią miejską a troposferą są więc niezbędne do oszacowania, zarówno naturalnej,
jak i antropogenicznej, emisji tego gazu do atmosfery. Z badań przeprowadzonych
dotychczas w kilkunastu miastach położonych w strefie umiarkowanej wynika, że
tereny zurbanizowane, a zwłaszcza centra miast, są źródłem dwutlenku węgla
w ciągu całego roku [VELASCO, ROTH 2010]. Powierzchnia miejska ma jednak
charakter niejednorodny, a gęstość zabudowy, udział powierzchni sztucznych oraz
natężenie transportu najczęściej zwiększa się od terenów podmiejskich w kierunku
centrum. Należy się spodziewać, że te czynniki będą wpływać na intensywność
wymiany CO2 w różnych częściach miasta, dlatego celem opracowania jest porównanie intensywności turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla na terenie miejskim
o odmiennym typie zabudowy.
OBSZAR I METODY BADAŃ
Łódź jest trzecim co do wielkości miastem Polski, a liczbę jego mieszkańców
szacuje się obecnie na około 740 tys. Zabudowę miasta można uznać za typową dla
miast europejskich – gęsto zabudowane centrum jest otoczone dzielnicami przemysłowymi, mieszkaniowymi, domów jednorodzinnych itd. Cechami bardzo istotnymi ze względu na badanie klimatu miasta są względnie płaski teren, na jakim miasto jest położone oraz brak w bezpośrednim sąsiedztwie rzek, jezior czy przeszkód
orograficznych, których wpływ na lokalny klimat należałoby uwzględniać.
Pomiary turbulencyjnej wymiany strumienia dwutlenku węgla przeprowadzono
na czterech stanowiskach, położonych w dzielnicach o zróżnicowanych cechach
powierzchni czynnej. Za punkt odniesienia uznano stację pomiarową położoną
w zachodniej części centrum miasta, przy ulicy Lipowej 81 (punkt pomiarowy L,
rys. 1, tab. 1, rys. 2). W otoczeniu tego punktu dominuje gęsta zabudowa z pierwszej połowy XX w., o średniej wysokości 10,2 m (tab. 1). W odległości nieprzekra© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
W. Pawlak, M. Siedlecki: Typ powierzchni miejskiej a turbulencyjna wymiana CO2…
187
Rys. 1. Lokalizacja punktów pomiarowych strumienia dwutlenku węgla w Łodzi (L – w centrum
miasta, ulica Lipowa, P1 – dzielnica poprzemysłowa, P2 – dzielnica domów jednorodzinnych,
P3 – strefa podmiejska); źródło mapy: Miejski Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej
w Łodzi
Fig. 1. Location of measurement points of carbon dioxide flux in Łódź (L – city centre,
P1 – postindustrial district, P2 – residential district, P3 – suburban area); source of map:
Municipal Centre of Geodesy and Cartographic Documentation of Łódź
Tabela 1. Podstawowe charakterystyki punktów pomiarowych strumienia dwutlenku węgla w Łodzi
Table 1. Basic characteristics of measurement points of carbon dioxide flux in Łódź
Punkt
pomiarowy
Measurement site
L
P1
P2
P3
WspółczynWysokość
Okres ponik szorstkopomiarów
z
miarowy
H
ści z0
Measure- Measurement
Roughness
height zH
ment
coefficient z0
period
m
m
07.2006–
05.2011
10–12.
2002
08.2002
05–07.
2003
Średnia
wysokość
budynków
Mean buildings height
m
Udział powierzchni
sztucznych
%
Percent of
artificial
surfaces
Udział powierzchni
roślinnych
Percent of
plant cover
%
37
2,5
10,2
~60
~40
23
1,36
8,5
~40
~60
41
0,72
7,7
~30
~70
2
0,15
0
~5
~95
Źródło: KŁYSIK [1998], OFFERLE [2003] i wyniki własne.
Source: KŁYSIK [1998], OFFERLE [2003] and own studies.
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
188
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
czającej 500 m od punktu pomiarowego udział powierzchni sztucznych (budynki,
ulice, chodniki, place itd.) sięga 60%, podczas gdy tereny zielone zajmują około
40%, w tym drzewa jedynie 10% [FORTUNIAK 2010; KŁYSIK 1998]. Pomiary przy
ulicy Lipowej są prowadzone w sposób ciągły od lipca 2006 roku. Pozostałe punkty pomiarowe zlokalizowano w dzielnicach o odmiennych cechach powierzchni
czynnej [FORTUNIAK 2010; OFFERLE 2003; OFFERLE i in. 2006; PAWLAK i in.
2007] (rys. 1, 2, tab. 1).
Pomiary turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla w okresie od października
do grudnia 2002 r. przeprowadzono na stanowisku przy ulicy Brukowej w dzielnicy poprzemysłowej (punkt pomiarowy P1, rys. 1, 2). Średnia wysokość budynków
w otoczeniu stanowiska była tam nieco mniejsza i wynosiła 8,5 m, nieco mniejszy
był też udział powierzchni sztucznych – rzędu 40% (tab. 1). Kolejne dwa punkty
pomiarowe zlokalizowano w dzielnicach o wyraźnej przewadze terenów zielonych
nad powierzchniami sztucznymi. Punkt P2, w którym pomiary przeprowadzono
w sierpniu 2002 r., jest położony w dzielnicy domów jednorodzinnych przy ulicy
Łagiewnickiej (rys. 1, 2) i charakteryzuje się odsetkiem terenów zielonych rzędu
70%. W przypadku punktu P3, położonego w strefie podmiejskiej na pokrytej trawą płycie Portu Lotniczego im. W. Reymonta, odsetek ten był największy i sięgał
95% (tab. 1, rys. 1, 2). Pomiary w tym punkcie prowadzono od maja do lipca 2003 r.
Wymiana dwutlenku węgla (a także energii oraz innych gazów) zachodzi między atmosferą a powierzchnią czynną w wyniku transportu turbulencyjnego, dlatego pomiary prowadzono, uznawaną obecnie za najdokładniejszą, metodą kowariancji wirów (ang. “eddy covariance method”) [FORTUNIAK 2010; LEE i in. 2004].
W metodzie tej strumień dwutlenku węgla FCO2 (lub innego gazu) jest obliczany
wprost z definicji jako kowariancja szeregów fluktuacji pionowej prędkości wiatru
oraz stężenia dwutlenku węgla w powietrzu:
FCO 2  w'  CO 2 ' 
1
N
 ( w' w) CO 2 ' CO 2 
N
i 1
gdzie:
w’, ρCO2’ – fluktuacje pionowej prędkości wiatru i stężenia CO2 w powietrzu
w przedziale czasu o długości N,
–
średnie wartości pionowej prędkości wiatru i stężenia CO2 w tym
w ,  CO 2
samym przedziale czasu o długości N.
Zaletą metody jest jej duża dokładność, wynikająca z możliwości obliczenia
strumienia wprost z definicji, bez konieczności uwzględniania współczynników
empirycznych, co było poważną wadą starszych metod [FORTUNIAK 2003; 2010].
Ponadto metoda umożliwia wyznaczenie nie tylko wartości strumienia w pewnym
przedziale czasu, ale również jego zwrotu. Ujemna wartość FCO2 oznacza, że jest
obserwowana przewaga procesu pochłaniania nad emisją i wypadkowy strumień
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
W. Pawlak, M. Siedlecki: Typ powierzchni miejskiej a turbulencyjna wymiana CO2…
189
netto jest skierowany w dół (od atmosfery do powierzchni czynnej). Strumień dodatni oznacza transport netto w odwrotnym kierunku, czyli emisję z powierzchni
czynnej do atmosfery (przewaga emisji nad pochłanianiem).
Mimo prostoty stosowanie metody w praktyce napotyka na trudności natury
metodycznej, z których najważniejsze są związane z koniecznością pomiaru wartości w’ oraz ρCO2’ z częstotliwością co najmniej 10 Hz. Wymaga to stosowania zaawansowanych czujników pomiarowych i znacznie zwiększa koszty eksperymentów. Innym utrudnieniem w stosowaniu metody na terenie zabudowanym jest konieczność instalacji czujników pomiarowych na pewnej wysokości ponad zabudową. W ten sposób zmierzony strumień ma charakter uśredniony i odnosi się do
pewnej powierzchni, a nie do pojedynczego elementu zabudowy. Z tego względu
we wszystkich punktach badawczych czujniki pomiarowe były zawieszone na wysokości co najmniej dwukrotnie przewyższającej średnią wysokość budynków (tab.
1), co – zgodnie z metodyką pomiarów strumieni turbulencyjnych na terenach
miejskich [FORTUNIAK 2010; GRIMMOND, OKE 1999; PAWLAK i in. 2011] – umożliwia przyjęcie założenia, że pomiary były prowadzone powyżej przypowierzchniowej warstwy tarcia.
W celu dodatkowej weryfikacji reprezentatywności pomiarów w każdym
punkcie pomiarowym oceniono tzw. obszar źródłowy strumieni turbulencyjnych
w warunkach stratyfikacji chwiejnej [FORTUNIAK 2009; PAWLAK i in. 2011;
SCHMID 1994]. Wyniki (rys. 2) potwierdzają, że obliczone strumienie odnoszą się
do fragmentów powierzchni miejskiej o średnicy do 1000 m. Jedynie w przypadku
strefy podmiejskiej obszar źródłowy był mniejszy, co wynika z tego że nad jednorodnymi powierzchniami, np. trawiastymi, na których przeszkody oddziałujące na
przepływ powietrza mają mniej niż 1 m wysokości, czujniki można instalować na
niewielkiej wysokości, rzędu 3–4 m.
Do pomiarów zastosowano standardowy zestaw, składający się anemometru ultradźwiękowego RMYoung 81000 (RMYoung, USA) oraz analizatora gazowego
dwutlenku węgla Li7500 IRGA CO2/H2O (Li-cor, USA). Przyrządy rejestrowały
fluktuacje badanych wielkości z częstotliwością 10 Hz, a za przedział uśredniania
strumienia FCO2 przyjęto 1 godzinę. Przed obliczeniem końcowych wartości strumienia przeprowadzono, zgodnie z metodyką proponowaną w literaturze, analizę
jakości danych oraz wprowadzono odpowiednie poprawki [FORTUNIAK 2010; LEE
i in. 2004]. Przeprowadzono analizę stacjonarności danych, odrzucono dane zarejestrowane podczas występowania opadów lub osadów atmosferycznych, zniwelowano wpływ odległości między czujnikami pomiarowymi, dokonano rotacji układu
współrzędnych wiatru oraz wprowadzono poprawkę WPL (od nazwisk autorów
Webb, Pearman, Leuning) [WEBB i in. 1980], wymaganą ze względu na zmiany
gęstości powietrza w trakcie pomiarów.
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
190
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
Rys. 2. Obszary źródłowe turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla w punktach pomiarowych
ocenione w warunkach stratyfikacji chwiejnej z prawdopodobieństwem P = 25, 50, 75 i 90% (czarne
izolinie). Białe okręgi oznaczają odległości rzędu 250 i 500 metrów od punktów pomiarowych;
oznaczenia wg rys. 1.; źródło map: Miejski Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej
w Łodzi, wyniki własne
Fig. 2. Source areas of carbon dioxide turbulent flux calculated for unstable conditions
with probability P = 25, 50, 72 and 90% (black lines). White circles indicate 250 m and 500 m
distances from the measurement sites; explanations as in Fig. 1; source of maps: Municipal Centre
of Geodesy and Cartographic Documentation of Łódź, own studies
WYNIKI I DYSKUSJA
Pomiary turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto na opisanych stanowiskach prowadzono w różnych, niepokrywających się ze sobą okresach (tab.
1). Wyniki pozyskane w latach 2002 i 2003 w punktach pomiarowych położonych
poza centrum miasta zostały zatem porównane z uśrednionymi w odpowiednich
miesiącach wartościami strumienia zmierzonego w centrum miasta w latach 2006–
2011. Niezależnie od cech powierzchni czynnej średnie zmiany strumienia dwutlenku węgla charakteryzowały się wyraźnym rytmem dobowym (rys. 3, 4, 5).
W nocy wartości FCO2 sięgały 1–3 μmol·m–2·s–1, z wyjątkiem strefy podmiejskiej,
gdzie wartości były nieco wyższe w związku z uwalnianiem się dwutlenku węgla
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
191
–2
FCO2, μmol·m ·s
–1
W. Pawlak, M. Siedlecki: Typ powierzchni miejskiej a turbulencyjna wymiana CO2…
h
P1
h
h
L
Rys. 3. Średnie dobowe zmiany strumienia dwutlenku węgla w okresie od października do grudnia
w centrum Łodzi (L) oraz w dzielnicy poprzemysłowej (P1); źródło: wyniki własne
–2
FCO2, μmol·m ·s
–1
Fig. 3. Mean daily changes of carbon dioxide flux in the period October–December in the center of
Łódź (L) and in postindustrial district (P1); source: own studies
Rys. 4. Średnie dobowe zmiany strumienia dwutlenku
węgla w sierpniu w centrum Łodzi (L) oraz w dzielnicy
domów jednorodzinnych (P2); źródło: wyniki własne
Fig. 4. Mean daily changes of carbon dioxide flux in
August in the center of Łódź (L) and in residential district (P2); source: own studies
P2
h
L
podczas oddychania roślin. Najbardziej intensywna wymiana była obserwowana
w dzień, przy czym w centrum miasta oraz dzielnicy poprzemysłowej obserwowano strumienie o charakterze dodatnim (przewaga emisji CO2), podczas gdy
w dzielnicy domów jednorodzinnych oraz w strefie podmiejskiej wymiana miała
charakter ujemny (przewaga pochłaniania CO2).
Odmienny charakter powierzchni czynnej w otoczeniu punktów pomiarowych
powoduje, że zarówno zmienność w ciągu doby, jak również natężenie wymiany
dwutlenku węgla w dzielnicach położonych poza śródmieściem, różni się od wymiany tego gazu obserwowanego w centrum Łodzi. Otoczenie punktu pomiarowe
go L przy ulicy Lipowej emituje dwutlenek węgla przez cały rok [PAWLAK i in.
2011], co jest rezultatem niewielkiego udziału powierzchni pokrytych roślinnością,
czyli braku czynnika w dostatecznym stopniu równoważącego emisję antropogenicznego CO2, towarzyszącą spalaniu paliw kopalnych podczas ogrzewania miesz© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
192
–2
FCO2, μmol·m ·s
–1
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
h
P3
h
h
L
Rys. 5. Średnie dobowe zmiany strumienia dwutlenku węgla w okresie od maja do lipca w centrum
Łodzi (L) oraz w strefie podmiejskiej (P3); źródło: wyniki własne
Fig. 5. Mean daily courses of carbon dioxide flux in the period May–July in the center of Łódź (L)
and in a suburban area (P3); source: own studies
kań oraz w ruchu samochodowym. Strumień FCO2 osiąga tu największe wartości
w chłodnej porze roku (do 60 μmol·m–2·s–1 w ciągu dnia), podczas gdy w lecie jest
on mniejszy i nie przekracza 10–20 μmol·m–2·s–1 [PAWLAK 2010; PAWLAK i in.
2011].
Zbliżone wartości zaobserwowano podczas październikowych pomiarów
w dzielnicy poprzemysłowej (rys. 3). W kolejnych miesiącach wymiana dwutlenku
węgla stawała się tam mniej intensywna, co jest rezultatem zmniejszania się temperatury powietrza. W otoczeniu punktu P1 dominują sklepy oraz hurtownie, a brak
jest budynków mieszkalnych, dlatego można przypuszczać, że na dobową zmienność wymiany CO2 ma wpływ również emisja związana z ruchem samochodowym.
Dlatego właśnie w październiku maksymalny strumień FCO2 w ciągu dnia pojawia
się około południa, podczas gdy w centrum miasta są obserwowane dwa dobowe
maksima związane z porannym i popołudniowym szczytem komunikacyjnym.
W listopadzie i grudniu wymiana CO2 w dzielnicy poprzemysłowej staje się mniejsza w porównaniu z centrum miasta, ze względu na mniejszą emisję CO2, towarzyszącą ogrzewaniu budynków użytkowych, które dominują w toczeniu punktu pomiarowego, a prawdopodobnie nie są ogrzewane w nocy. Relatywnie duży udział
powierzchni pokrytych roślinnością, rzędu 60%, nie odgrywa dużej roli ze względu
na chłodną porę, kiedy wymiana CO2 związana z procesami biologicznymi ma
niewielkie znaczenie. Dzielnica poprzemysłowa w badanym okresie stanowiła źródło dwutlenku węgla netto (rys. 6), którego dobowe natężenie sięgało od
28 g·m–2·d–1 w październiku do 12 g·m–2·d–1 w grudniu.
Istotny wpływ roślinności miejskiej na proces wymiany CO2 zaobserwowano
natomiast w sierpniu w otoczeniu punktu pomiarowego P2 na terenie dzielnicy
domów jednorodzinnych (rys. 4) [OFFERLE 2003]. Niewielki odsetek powierzchni
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
193
–2
–1
FCO2, g·m ·d
–2
–1
FCO2, g·m ·day
W. Pawlak, M. Siedlecki: Typ powierzchni miejskiej a turbulencyjna wymiana CO2…
Miesiąc Month
Miesiąc Month
Miesiąc Month
Rys. 6. Średnie dobowe strumienie dwutlenku węgla w centrum miasta (L), dzielnicy poprzemysłowej (P1), dzielnicy domów jednorodzinnych (P2) i strefie podmiejskiej (P3); źródło: wyniki własne
Fig. 6. Mean daily carbon dioxide flux in the center of Łódź (L), in postindustrial district (P1), in residential district (P2) and in suburban area (P3); source: own studies
sztucznych, rzędu 30%, spowodował, że pobór dwutlenku węgla przez rośliny
w wyniku fotosyntezy w ciągu dnia zrównoważył niewielką o tej porze roku emisję
antropogeniczną (brak ogrzewania domów, niewielkie natężenie ruchu samochodowego w tej części miasta), a strumień FCO2 w godzinach południowych stał się
ujemny. Wymiana dobowa ma jednak charakter dodatni (rys. 6), co jest związane
z uwalnianiem CO2 w nocy podczas oddychania roślin. Podobną zmienność FCO2
obserwuje się również w dzielnicach o luźnej, niskiej zabudowie innych miast
[BERGERON, STRACHAN 2011; CRAWFORD i in. 2011].
Dominacja powierzchni roślinnych nad sztucznymi na terenie podmiejskim
(punkt pomiarowy P3, rys. 5) spowodowała, że wymiana CO2 ma tu zdecydowanie
odmienny charakter niż w centrum miasta. Intensywne biologiczne pochłanianie
CO2 jest przyczyną wyraźnie ujemnego strumienia FCO2 w ciągu dnia. W maju,
kiedy roślinność w otoczeniu punktu pomiarowego (trawa) była najbardziej rozwinięta i zielona, wartość FCO2 sięgała –15 μmol·m–2·s–1. Z czasem potencjał asymilacyjny trawy stawał się mniejszy, dlatego w czerwcu i lipcu tak intensywna wymiana nie była obserwowana. Strefa podmiejska w maju i czerwcu nie była źródłem
CO2 (rys. 6) – dobowa wymiana miała charakter ujemny, rzędu –16 i –7 g·m–2·d–1.
Mniej intensywne pochłanianie CO2 w lipcu w połączeniu z nocnym oddychaniem
roślin spowodowało, że w tym czasie otoczenie punktu P3 stało się naturalnym
źródłem tego gazu o natężeniu około 6 g·m–2·d–1.
Zestawienie wyników pomiarów strumienia FCO2 prowadzonych w kilkunastu
miastach strefy umiarkowanej świadczy o wyraźnej zależności między roczną wymianą dwutlenku węgla a cechami powierzchni miejskiej w otoczeniu punktów
pomiarowych (rys. 7).
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
–2
FCO2, t CO2·km ·r FCO2, t CO2·km ·y
–1
194
1. Baltimore [CRAWFORD i in. 2011]
2. Edynburg [NEMITZ i in. 2002]
3. Essen (park) [KORDOWSKI, KUTLER 2010]
4. Essen (centrum center) [KORDOWSKI, KUTLER 2010]
5. Łódź [PAWLAK i in. 2011]
6. Londyn [HELFER i in. 2010]
7. Melbourne [COUTTS 2007]
8. Mexico City [VELASCO i in. 2005]
9. Montreal (centrum center) [BERGERON, STRACHAN 2011]
10. Montreal (strefa podmiejska suburban area) [BERGERON, STRACHAN 2011]
11. Pekin [SONG, WANG 2012]
12. Tokio [MORIWAKI, KANDA 2004]
13. Vancouver [CHRISTEN i in. 2011]
0,063x + 5,59
–2 –1
y=e
2
R = 0,801
Udział powierzchni sztucznych, %
Share of artificial surface, %
Rys. 7. Roczny strumień dwutlenku węgla w zależności od udziału powierzchni sztucznych
w okolicach punktów pomiarowych w różnych miastach strefy umiarkowanej;
źródło: opracowanie własne na podstawie danych z literatury
Fig. 7. Annual flux of carbon dioxide in relation to the share of artificial surface observed in several
towns of temperate latitudes; source: own studies based on literature data
WNIOSKI
Opisane pomiary potwierdzają zależność między typem powierzchni czynnej
w mieście a intensywnością i zwrotem turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla.
Antropogeniczny strumień CO2 w Łodzi jest na tyle silny, że tylko powierzchnie
w znacznym stopniu pokryte roślinnością są w stanie go zrównoważyć podczas
biologicznej wymiany. Z badań wynika, że jedynie w strefie podmiejskiej strumień
był zdecydowanie ujemny, inne powierzchnie w badanych okresach stanowiły źródło netto dwutlenku węgla. Zaprezentowane wyniki mają jednak, z konieczności,
charakter niepełny, ponieważ znaczne koszty sprzętu pomiarowego uniemożliwiły
prowadzenie jednoczesnych pomiarów we wszystkich punktach pomiarowych oraz
wymusiły ich ograniczenie do krótkich serii, przede wszystkim w ciepłej porze roku, kiedy antropogeniczna emisja CO2 jest mniejsza. Znacznych dodatnich wartości strumienia FCO2 należy się spodziewać w dzielnicy domów jednorodzinnych
w sezonie grzewczym. Trudno też ocenić rolę roślinności w dzielnicy poprzemysłowej. Można przypuszczać, że odsetek powierzchni roślinnych rzędu 60% mógłby zrównoważyć emisję antropogenicznego CO2 w ciepłej porze roku.
Praca finansowana ze środków na naukę w latach 2010–2014 jako projekt badawczy nr N
N306 519638. Autorzy pragną wyrazić podziękowanie prof. S. Grimmond (Kings College,
Londyn) za zgodę na wykorzystanie danych strumienia dwutlenku węgla z lat 2002–2003.
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
W. Pawlak, M. Siedlecki: Typ powierzchni miejskiej a turbulencyjna wymiana CO2…
195
LITERATURA
BERGERON O., STRACHAN I.B. 2011. CO2 sources and sinks in urban and suburban areas of a northern
mid-latitude city. Atmospheric Environment. Vol. 45 s. 1564–1573.
CHRISTEN A., COOPS N.C., CRAWFORD B.R., KELLET R., LISS K.N., OLCHOVSKI I., TOOKE T.R., VAN
DER LAAN M., VOOGT J.A. 2011. Validation of modeled carbon-dioxide emissions from an urban
neighborhood with direct eddy-covariance measurements. Atmospheric Environment. Vol. 45
s. 6057–6069.
COUTTS A.M., BERINGER J., TAPPER N.J. 2007. Characteristics influencing the variability of urban
CO2 fluxes in Melbourne, Australia. Atmospheric Environment. Vol. 41 s. 51–62.
CRAWFORD B., GRIMMOND C.S.B., CHRISTEN A. 2011. Five years of carbon dioxide fluxes measurements in a highly vegetated suburban area. Atmospheric Environment. Vol. 45 s. 896–905.
FORTUNIAK K. 2003. Miejska wyspa ciepła. Podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele
numeryczne i statystyczne. Łódź. Wydaw. UŁ. ISBN 83-7171-658-3 ss. 233.
FORTUNIAK K. 2009. Funkcja śladu i obszar źródłowy strumieni turbulencyjnych – podstawy teoretyczne i porównanie wybranych algorytmów na przykładzie Łodzi. Prace Geograficzne IGiGP
UJ. Z. 122 s. 9–22.
FORTUNIAK K. 2010. Radiacyjne i turbulencyjne składniki bilansu cieplnego terenów zurbanizowanych na przykładzie Łodzi. Łódź. Wydaw. UŁ. ISBN 978-83-7525-369-6 ss. 232.
GRIMMOND C.S.B., OKE T.R. 1999. Aerodynamic properties of urban areas derived from analysis of
surface form, Journal of Applied Meteorology. Vol. 38 s. 1262–1292.
GRIMMOND C.S.B., KING T.S., CROPLEY F.D., NOWAK D.J., SOUCH C. 2002. Local-scale fluxes of
carbon dioxide in urban environments: methodological challenges and results from Chicago. Environmental Pollution. Vol. 116 s. 243–254.
HELFER C., FAMULARI D., PHILLIPS G.J., BARLOW J.F., WOOD C.R., GRIMMOND C.S.B., NEMITZ E.
2010. Controls of carbon dioxide concentrations and fluxes above central London. Atmospheric
Chemistry and Physics Discussion. Vol. 10 s. 23739–23780.
KŁYSIK K. 1998. Charakterystyka powierzchni miejskich w Łodzi z klimatologicznego punktu widzenia. Acta Universitatis Lodziensis, Folia Geographica Physica. T. 3 s. 173–185.
KORDOWSKI K., KUTTLER W. 2010. Carbon dioxide fluxes over an urban park area. Atmospheric
Environment. Vol. 44 s. 2722–2730.
LEE X., MASSMAN W., LAW B. 2004. Handbook of Micrometeorology. A Guide for Surface Flux
Measurement and Analysis. Dordrecht. Kluwer Academic Publishers. ISBN 1-4020-2264-6 ss.
250.
MATESE A., GIOLI B., VACCARI F.P., ZALDEI A., MIGLIETTA F. 2009. Carbon dioxide emission of the
city center of Firenze, Italy: measurement, evaluation and source partitioning. Journal of Applied
Meteorology and Climatology. Vol. 48 s. 1940–1947.
MORIWAKI R., KANDA M. 2004. Seasonal and diurnal fluxes of radiation, heat, water vapor and carbon dioxide over a suburban area. Journal of Applied Meteorology. Vol. 43 s. 1700–1710.
NEMITZ E., HARGREAVES K.J., MCDONALD A.G., DORSEY J.R., FOWLER D. 2002. Micrometeorological measurements of the urban heat budget and CO2 emissions on a city scale. Environmental
Science and Technology. Vol. 36 s. 3139–3146.
OFFERLE B. 2003. The energy balance of an urban area: Examining temporal and spatial variability
through measurements, remote sensing and modelling. Rozpr. dokt. Maszyn. ss. 239.
OFFERLE B., GRIMMOND C.S.B., FORTUNIAK K., PAWLAK W. 2006. Intra-urban differences of surface
energy fluxes in a central European city. Journal of Applied Meteorology and Climatology. Vol.
45 s. 125–136.
PAWLAK W. 2010. Extreme values of turbulent carbon dioxide net flux in the center of Łódź against
the background of meteorological conditions. W: Klimat Polski na tle klimatu Europy. Zmiany
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)
196
Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 2 (38)
i ich konsekwencje. Pr. zbior. Red. E. Bednorz, L. Kolendowicz. Poznań. Bogucki Wydaw. Nauk. s. 163–175.
PAWLAK W., FORTUNIAK K., OFFERLE B., GRIMMOND CSB. 2007. Zastosowanie metody korelacyjnej
do pomiarów strumieni CO2 i H2O z powierzchni trawiastej. Przegląd Geofizyczny. T. 52 s. 95–
106.
PAWLAK W., FORTUNIAK K., SIEDLECKI M. 2011. Carbon dioxide flux in the centre of Łódź, Poland –
analysis of a 2-year eddy covariance measurements data set. International Journal of Climatology. Vol. 31 s. 232–243.
SCHMID H.P. 1994. Source areas for scalar and scalar fluxes. Boundary Layer Meteorology. Vol. 67
s. 293–318.
SONG T., WANG Y. 2012 Carbon dioxide fluxes from an urban area in Beijing. Atmospheric Research.
Vol. 106 s. 139–149.
VELASCO E., ROTH M. 2010. Cities as net sources of CO2: Review of atmospheric CO2 exchange in
urban environments measured by eddy covariance technique. Geography Compass. Vol. 4
s. 1238–1259.
VELASCO E., PRESSLEY S., ALLWINE E., WESTBERG H., LAMB B. 2005. Measurements of CO2 fluxes
from the Mexico City urban landscape. Atmospheric Environment. Vol. 39 s. 7433–7446.
VESALA T., JÄRVI L., LAUNIAINEN S., SOGACHEV A., RANNIK Ü., MAMMARELLA I., SIIVOLA E., KERONEN P., RINNE J., RIIKONEN A., NIKINMAA E. 2008. Surface-atmosphere interactions over
complex urban terrain in Helsinki, Finland. Tellus. Vol. 60B s. 188–199.
VOGT R., CHRISTEN A., ROTACH M.W., ROTH M., SATYANARAYANA A.N.V. 2006. Temporal dynamics of CO2 fluxes and profiles over a Central European city. Theoretical and Applied Climatology. Vol. 84 s. 117–126.
WEBB E.K., PEARMAN G.I., LEUNING R. 1980. Correction of flux measurements for density effects
due to heat and water vapor transfer. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Vol.
106 s. 85–100.
Włodzimierz PAWLAK, Mariusz SIEDLECKI
THE TYPE OF URBAN SURFACE AND TURBULENT CARBON DIOXIDE EXCHANGE
(ŁÓDŹ CASE STUDY)
Key words: eddy covariance method, turbulent flux of carbon dioxide, urban area
Summary
The aim of this work was to compare turbulent exchange intensity of carbon dioxide in urban areas of different type of building development. Measurements were carried out within the densely
built-up city centre, residential and postindustrial districts and in a suburban area. Results confirmed
strong relationship between the density and type of building development, percent plant cover and the
intensity and direction of carbon dioxide exchange. Most intensive positive (to the atmosphere) carbon dioxide exchange was observed in the centre of Łódź, and a little bit less in a postindustrial area.
In residential district, where plant cover was quite large, anthropogenic carbon dioxide emission was
compensated by natural uptake of this gas by plants. In a suburban area the exchange was strongly
negative (to the active surface) because of the domination of vegetated surfaces and a small amount of
anthropogenic carbon dioxide emission.
© ITP Woda Środ. Obsz. Wiej. 2012 (IV–VI), t. 12 z. 2 (38)